基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

周 妍

(浙江警察學(xué)院 交通管理工程系，浙江 杭州 310053)

基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

周 妍

(浙江警察學(xué)院 交通管理工程系，浙江 杭州 310053)

鐵路行車組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的欠缺已經(jīng)成為影響鐵路運(yùn)輸管理人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要問(wèn)題。針對(duì)當(dāng)前鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的新要求，在分析系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上搭建鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且應(yīng)用計(jì)算機(jī)協(xié)同工作策略構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)協(xié)作實(shí)驗(yàn)沖突解決機(jī)制，進(jìn)而開發(fā)實(shí)現(xiàn)鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為鐵路行車組織的教學(xué)和研究工作提供一個(gè)有效的仿真實(shí)驗(yàn)工具。

仿真系統(tǒng)；模擬訓(xùn)練；網(wǎng)絡(luò)協(xié)作；鐵路行車組織

在我國(guó)鐵路向現(xiàn)代物流轉(zhuǎn)型發(fā)展的新時(shí)期，熟練掌握鐵路運(yùn)輸相關(guān)技術(shù)和技能、具有現(xiàn)代物流管理知識(shí)的人才對(duì)于提升鐵路運(yùn)營(yíng)管理質(zhì)量具有重要意義，而科學(xué)、合理的人才培養(yǎng)將為鐵路的快速建設(shè)和發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)的智力支持。作為一門具有很高實(shí)踐性的學(xué)科，鐵路行車組織的教學(xué)必須將理論和實(shí)踐緊密結(jié)合起來(lái)，才能實(shí)現(xiàn)良好的教學(xué)效果。但是，受行業(yè)實(shí)踐條件限制，高等院校的鐵路行車組織實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練環(huán)節(jié)多以觀察、體驗(yàn)為主，不能充分達(dá)到能力訓(xùn)練的要求。同時(shí)，鐵路行車組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)是鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)實(shí)踐的集中抽象和二次發(fā)展，它不僅要如實(shí)反映實(shí)踐的真實(shí)內(nèi)容，還要超前預(yù)見并體現(xiàn)出實(shí)踐的發(fā)展方向。自我改革和自我創(chuàng)新始終是鐵路行車組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)在要求，在分析我國(guó)高等院校鐵路運(yùn)輸專業(yè)學(xué)生鐵路行車組織實(shí)驗(yàn)需求的基礎(chǔ)上，提出基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練框架體系，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)作操作的行車組織實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練平臺(tái)，對(duì)于鐵路運(yùn)營(yíng)人才的培養(yǎng)具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。

1 鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需求分析

1.1 設(shè)計(jì)目的

一直以來(lái)，與鐵路運(yùn)輸人才培養(yǎng)相關(guān)的院校、研究機(jī)構(gòu)都在不斷研究新的方法和增加資源投入，以提高培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)能力的質(zhì)量[1-6]，但目前鐵路行車組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)與能力需求仍然存在一定的差距，主要體現(xiàn)在：一是實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目多依賴于單項(xiàng)知識(shí)點(diǎn)，不能達(dá)到綜合能力訓(xùn)練的目標(biāo)；二是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置與現(xiàn)實(shí)存在一定的差距，仿真環(huán)境需要進(jìn)一步提高；三是實(shí)驗(yàn)任務(wù)孤立化，沒有實(shí)現(xiàn)協(xié)作操作的管理效果?；?/p>

此，以提高實(shí)踐能力為主旨，以鐵路運(yùn)輸客觀生產(chǎn)環(huán)境為藍(lán)本，設(shè)計(jì)鐵路行車組織實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架，滿足多要素、多層次的能力培養(yǎng)需要。鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的，是實(shí)現(xiàn)鐵路行車組織認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)與綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的要求。①認(rèn)知驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生形成基本的鐵路運(yùn)輸概念，了解鐵路行車組織相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的基本運(yùn)作方式和技術(shù)流程，了解鐵路運(yùn)輸基本運(yùn)作流程。②綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)從強(qiáng)化學(xué)生鐵路行車組織專業(yè)素質(zhì)訓(xùn)練和技能培養(yǎng)角度出發(fā)，將專業(yè)方向的主干課程和專業(yè)要求融合在一起，其目的是使學(xué)生在學(xué)習(xí)基本知識(shí)和掌握基本技能的基礎(chǔ)上，了解、掌握鐵路行車組織目前主流的工程實(shí)作流程和操作方法，并以此為起點(diǎn)，通過(guò)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)提升學(xué)生綜合性的鐵路運(yùn)輸組織素養(yǎng)。

1.2 系統(tǒng)需求

（1）運(yùn)輸計(jì)劃編制仿真?？筛鶕?jù)系統(tǒng)提供的實(shí)驗(yàn)情景，在友好的人機(jī)交互界面上，分工種分用戶編制完成不同任務(wù)下的列車運(yùn)行圖、車輛運(yùn)用計(jì)劃、乘務(wù)計(jì)劃等。

（2）列車接發(fā)及調(diào)車作業(yè)仿真。依據(jù)下達(dá)的列車時(shí)刻表與車輛運(yùn)用計(jì)劃，按照《接發(fā)列車作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》辦理接發(fā)列車進(jìn)路，完成接發(fā)列車作業(yè)計(jì)劃；根據(jù)調(diào)車作業(yè)計(jì)劃辦理調(diào)車進(jìn)路，完成調(diào)車作業(yè)過(guò)程。

（3）不同場(chǎng)景變換仿真。不同情景、模式下的仿真是訓(xùn)練綜合實(shí)踐能力的重要因素，因而仿真系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠根據(jù)教學(xué)需要，靈活地切換不同的仿真場(chǎng)景，并且能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程的監(jiān)控及實(shí)驗(yàn)效果的分析。

（4）仿真過(guò)程中的沖突檢測(cè)與顯示。在圖形界面上進(jìn)行業(yè)務(wù)操作時(shí)，按照真實(shí)環(huán)境中的業(yè)務(wù)邏輯實(shí)時(shí)判斷可能存在的沖突并進(jìn)行提示，同時(shí)給出自動(dòng)疏解方案，保證網(wǎng)絡(luò)協(xié)作操作的順利實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到協(xié)同實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的目標(biāo)。

（5）調(diào)度作業(yè)演練。在初始列車運(yùn)行計(jì)劃編制完成后，系統(tǒng)按計(jì)劃進(jìn)行行車過(guò)程仿真，在過(guò)程中設(shè)置人為輸入干擾或系統(tǒng)自動(dòng)干擾，同時(shí)將加入干擾后的運(yùn)行仿真實(shí)績(jī)發(fā)送至調(diào)度員界面，調(diào)度員根據(jù)實(shí)驗(yàn)情景，對(duì)列車運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，并且判斷是否需要安排應(yīng)急及車輛維修、乘務(wù)計(jì)劃調(diào)整。

（6）運(yùn)行圖技術(shù)文件輸出。仿真完成后能夠按照選擇的格式和內(nèi)容輸出運(yùn)行圖技術(shù)文件，并且根據(jù)內(nèi)置評(píng)價(jià)參數(shù)反饋實(shí)驗(yàn)成績(jī)，考核實(shí)驗(yàn)效果。

鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能需求框架如圖 1所示。

圖1 鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能需求框架

2 基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

列車運(yùn)行計(jì)劃是鐵路行車組織工作的綜合性計(jì)劃，鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)過(guò)程就是實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行計(jì)劃的過(guò)程。列車運(yùn)行計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)需要多層次、跨部門的人員協(xié)作，因而鐵路行車組織工作是一個(gè)跨部門、多用戶的群體協(xié)作過(guò)程。為提高實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的效果，貼近實(shí)際工作需求，鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要具有基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作交互功能。鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作仿真過(guò)程如圖 2 所示。

圖2 鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作仿真過(guò)程

為提供網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的操作仿真環(huán)境，鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為 2 個(gè)主要部分：一是仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，內(nèi)含數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)交換接口與通信交互設(shè)備，以及可全局瀏覽實(shí)驗(yàn)情景的大屏幕顯示設(shè)備；二是仿真實(shí)驗(yàn)客戶端，包括多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作操作計(jì)算機(jī)及局域網(wǎng)等設(shè)備組成。鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)如圖 3 所示。

圖3 鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 功能設(shè)計(jì)

（1）路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。提供人機(jī)交互界面，定義、存儲(chǔ)、編輯路網(wǎng)線路文件和線路車站文件，包括線路字典、車站字典、區(qū)間字典、基點(diǎn)字典、基線區(qū)段字典、線路銜接關(guān)系、各線路經(jīng)由車站及區(qū)間，系統(tǒng)根據(jù)車站、路段數(shù)據(jù)邏輯信息自動(dòng)生成路網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

（2）路網(wǎng)圖形化數(shù)據(jù)顯示。提供一套可視化工具，檢查系統(tǒng)自動(dòng)生成的路網(wǎng)邏輯關(guān)系，自動(dòng)計(jì)算列車的運(yùn)行徑路，并且全局顯示仿真路網(wǎng)環(huán)境。

（3）運(yùn)行圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。用以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行圖數(shù)據(jù)維護(hù)，定義區(qū)間標(biāo)尺、列車間隔時(shí)間、車站技術(shù)作業(yè)時(shí)間及停站時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)等，采用文件形式將列車運(yùn)行參數(shù)、車輛運(yùn)用參數(shù)、車站資源分配等參數(shù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)管理人員可存儲(chǔ)、編輯開行方案、初始運(yùn)行圖、車輛與車站使用的初始數(shù)據(jù)，方便實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)。

（4）列車運(yùn)行時(shí)刻表管理。從數(shù)據(jù)管理平臺(tái)中讀取運(yùn)行圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件，建立列車徑路，列車、車站、區(qū)間、區(qū)間正線使用、車站到發(fā)線使用、接發(fā)車進(jìn)路使用的關(guān)聯(lián)關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景需求，自動(dòng)鋪畫

初始運(yùn)行圖，顯示列車運(yùn)行時(shí)刻信息，并將初始化列車運(yùn)行時(shí)刻文件發(fā)送至實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用戶端，供用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，編輯、修改列車出發(fā)時(shí)刻信息與停站時(shí)分信息；同時(shí)具有糾錯(cuò)功能，在多人員協(xié)作實(shí)驗(yàn)的模式下，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)列車運(yùn)行時(shí)刻數(shù)據(jù)的一致性，并且反饋交互信息。

（5）車站作業(yè)管理。依據(jù)最短路原則自動(dòng)分配進(jìn)路，提供人機(jī)交互界面，存儲(chǔ)與顯示用戶手動(dòng)調(diào)試結(jié)果，自動(dòng)計(jì)算車站資源占用沖突，并且進(jìn)行反饋；在計(jì)劃下達(dá)后，仿真顯示車站進(jìn)路占用情景。

（6）車輛運(yùn)用管理。根據(jù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景給定的車輛類型、數(shù)量、檢修周期等車輛運(yùn)用參數(shù)，用戶按實(shí)驗(yàn)要求在對(duì)應(yīng)界面協(xié)作編制完成機(jī)車交路計(jì)劃和車輛檢修計(jì)劃，系統(tǒng)根據(jù)資源邏輯約束條件檢測(cè)計(jì)劃沖突并且用報(bào)警信息窗形式反饋信息。

（7）列車運(yùn)行調(diào)整。提供人機(jī)交互界面，設(shè)計(jì)人為擾動(dòng)參數(shù)或系統(tǒng)自動(dòng)參數(shù)，根據(jù)列車運(yùn)行計(jì)劃推演列車的行車組織過(guò)程，并且將列車區(qū)間、車站時(shí)間位置信息、車站進(jìn)路聯(lián)鎖狀態(tài)信息、列車晚點(diǎn)信息存儲(chǔ)于行車日志文件，實(shí)時(shí)發(fā)送至仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用戶端。

（8）指標(biāo)反饋。系統(tǒng)自帶指標(biāo)計(jì)算功能，能夠自動(dòng)統(tǒng)計(jì)列車數(shù)量、列車仿真開行總公里數(shù)、列車運(yùn)行時(shí)間、仿真晚點(diǎn)總時(shí)間等，并且將指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行模糊計(jì)算，對(duì)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)整體和參與者的實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖 4 所示。

圖4 鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能架構(gòu)

3 鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

3.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)作操作關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

（1）協(xié)同工作。為實(shí)現(xiàn)具有網(wǎng)絡(luò)協(xié)作功能的鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，避免不同對(duì)象對(duì)同一實(shí)驗(yàn)要素同時(shí)操作導(dǎo)致指令不明確或相互沖突，在系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中應(yīng)用了計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作 (Computer Supported Cooperative Work，CSCW) 技術(shù)。CSCW是指在計(jì)算機(jī)支持的環(huán)境中，一個(gè)群體協(xié)同工作完成一項(xiàng)共同的任務(wù)[7]。在計(jì)算機(jī)協(xié)同工作的環(huán)境下，群

體活動(dòng)之間存在著不可避免的相互關(guān)聯(lián)問(wèn)題，稱之為“接口”問(wèn)題。由于各個(gè)群體活動(dòng)的目標(biāo)不同，接口難免會(huì)出現(xiàn)矛盾和沖突，需要通過(guò)對(duì)話協(xié)商的方式來(lái)解決[8]。鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是多組位實(shí)驗(yàn)人員同時(shí)參加，按照既定角色完成任務(wù)，在仿真系統(tǒng)中將單位成員定義為一個(gè)角色(Agent)，同時(shí)仿真系統(tǒng)將全部的角色與數(shù)據(jù)平臺(tái)相連，通過(guò)TCP/IP 協(xié)議交互指令信息。鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

（2）數(shù)據(jù)流程。在系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)環(huán)境基礎(chǔ)上，確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)作仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)會(huì)話機(jī)制，即單一角色 (Agent) 從接收系統(tǒng)命令開始進(jìn)入角色仿真階段，首先查看系統(tǒng)資源，確認(rèn)其活動(dòng) (Activity) 無(wú)用戶認(rèn)領(lǐng)沖突，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求采取相應(yīng)措施，發(fā)送執(zhí)行命令；系統(tǒng)在接收其執(zhí)行命令后，再次進(jìn)入資源沖突檢測(cè)進(jìn)程，如果出現(xiàn)沖突，將進(jìn)行信息反饋，為沖突角色提供會(huì)話環(huán)境，并且重新發(fā)布任務(wù)信息。單一實(shí)驗(yàn)角色仿真數(shù)據(jù)流程如圖 6 所示。

3.2 系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)

基于 .Net 平臺(tái)的 Microsoft Visual Studio 2008 環(huán)境下，采用 C# 程序語(yǔ)言，應(yīng)用 CSCW 協(xié)商機(jī)制，進(jìn)行 C/S 模式鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)。鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要功能界面如圖 7 所示。

圖5 鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 單一實(shí)驗(yàn)角色仿真數(shù)據(jù)流程

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵路行車組織實(shí)驗(yàn)的教學(xué)手段改革，是我國(guó)鐵路行業(yè)快速發(fā)展和交通運(yùn)輸工程學(xué)科建設(shè)的必然要求?；诰W(wǎng)絡(luò)協(xié)作的鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加貼近工作實(shí)踐，符合實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，同時(shí)能夠培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作、有序配合的工作能力，是適應(yīng)現(xiàn)代鐵路信息化的調(diào)度指揮人員培訓(xùn)與實(shí)作演練的有效平臺(tái)。

圖7 鐵路行車組織仿真實(shí)驗(yàn)主要功能界面

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（責(zé)任編輯 劉 新）

Railway Transportation Organization Simulation Experimentation System Based on Network Coordination

ZHOU Yan
(Transportation Management Engineering Department, Zhejiang Police College, Hangzhou 310053, Zhejiang, China)

The scarcity of experimental and teaching method is a crucial problem affecting the cultivation quality of railway transportation management personnel. In order to meet new requirements of simulation experimentation of railway transportation organization , this paper constructs a simulation experimentation system framework based on analyzing system requirement, and designs the function of each modular, and builds conflict-solving mechanism of network coordination experimentation, and develops an effective simulation device for researching and teaching of railway transportation organization.

Simulation System; Simulation Training; Network Coordination; Railway Transportation Organization

1004-2024(2016)10-0021-07

TP399：U292

B

10.16669/j.cnki.issn.1004-2024.2016.10.05

2016-10-09

周 妍 (1983—)，女，黑龍江黑河人，博士。

浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目 (2013TD09)